扩大头锚杆技术.docx

1、扩大头锚杆技术钜联TM扩大头锚杆技术曾庆义( 0755*)一、前 言锚杆的抗拔力是锚杆工程最重要的技术经济指标，是锚杆施工技术水平最主要的参数。提高锚杆的抗拔力水平具有十分显著的技术经济价值。依靠增加锚固段长度来提高抗拔力是有一个限度的。文1指出：m以内的锚固长度对提高抗拔力是有作用的，但超过m并不合理。文介绍的北京京城大厦基坑锚杆张拉应变图，拉拔力达到最大值时，锚杆应变峰值深度为m，零应变深度为m（锚杆自由段m），与文1观点吻合。锚固长度超过某个数值后，抗拔力并不能得到明显提高。这是因为，只有当前面的锚固段有了相当大的位移或者被破坏后，后面的锚固段才能发挥作用。规范、以米为锚固段的上限，对软

2、土是合适的，对其它土层则是不合适的、不安全的。锚杆扩大头，无疑是提高锚杆抗拔力水平、减小锚杆变形的最好办法。规范虽已将其作为一种结构形式列入，但是扩大头的实现却是一个最大的难点。扩大头技术在桩基工程应用很广，挖孔桩、钻孔扩底桩、夯扩桩已经是用得最多的主流桩型，早期爆扩桩也流行过一段时间。但是，扩大头技术在锚杆工程应用的例子则不多见。文介绍了一例扩大头土层锚杆在基坑支护中的应用。其方法是钻孔成孔后，在孔底引爆炸药，在孔底形成大蒜头（400mm左右）空腔，并在扩孔的同时将锚杆端部318钢筋张开伸入空腔中。该扩大头土层锚杆的极限抗拔力可达375KN，比该场地普通土层锚杆极限抗拔力大3倍以上。经过五年

3、的探索和实践，我们成功地开发出了一套扩大头锚杆的施工工艺和方法，并在多个工程的应用中都显示出了钜力效果。我们把这种工法也叫做钜联TM扩大头锚杆工法。工程实践表明，该工法工程实践应用效果好，可靠性高，已具全面推广应用的条件。二、钜联TM扩大头锚杆工法1、工法原理 钜联TM 扩大头锚杆工法的原理，是利用高压喷射流束在规定的位置定点切割锚孔孔壁土体，通过循环水或水泥浆将所切割的土体颗粒排出，形成大的空腔，然后注浆充填形成锚杆扩大头。扩大头的位置可以设置在锚杆的底部，还可以在锚固段的中部增设一个甚至多个， 这些在施工工艺方面都可以实现。在工法的设计开发过程中，经过多次现场试验和调整改进，为满足锚杆工程

4、的高要求，该工法包含以下重要的概念和工艺：（1）分序扩孔：根据现场土质条件和锚杆扩大头设计参数，进行分序扩孔，提高了喷射流束切割土体的效率，并且还可以采用多遍分序扩孔，逐渐加大扩大头的直径。（2）完全置换：扩孔完成后，再进行高压注浆置换，以确保水泥浆能完全将泥浆置换出来，保证扩大头锚固体的强度。（3）二次注浆：在砂卵石层和地下水流动较大的地方，在扩大头内进行高浓度的二次注浆，必要时可加适量速凝剂。（4）充填砂浆：在锚杆扩大头直径大、抗拔力高的情况下，锚杆杆体与扩大头锚固体之间的咬合力将成为影响抗拔力的一个薄弱环节。为此，我们采用了高压砂浆泵灌注水泥砂浆（1：0.5）进行置换。2. 钜联TM扩大

5、头锚杆工法以下几种工法，适用不同的土质条件、锚杆类型、扩大头直径和锚杆设计抗拔力水平。Bcg工法：套管钻进，高压水泥浆喷射扩孔，水泥浆置换注浆；Bwcg工法：套管钻进，高压水分序喷射扩孔，高压水泥浆喷射注浆，水泥浆置换注浆；Bwwcg工法：套管钻进，高压水两遍分序喷射扩孔，高压水泥浆喷射注浆，水泥浆置换注浆；Bwwcs工法：套管钻进，高压水两遍分序喷射扩孔，高压水泥浆喷射注浆，水泥砂浆置换注浆；Acg工法：钻头钻进，高压水泥浆喷射注浆，水泥浆置换注浆；Awcg工法：钻头钻进，高压水分序喷射扩孔，高压水泥浆喷射注浆，水泥浆置换注浆；Awwcg工法：钻头钻进，高压水两遍分序喷射扩孔，高压水泥浆喷射

6、注浆，水泥浆置换注浆；Awwcs工法：钻头钻进，高压水两遍分序喷射扩孔，高压水泥浆喷射注浆，水泥砂浆置换注浆。三、扩大头锚杆受力破坏机理（一）锚杆按受力特点的分类1、摩擦型锚杆普通锚杆（等直径锚杆）的抗拔力来源于锚固体侧壁与土体的摩阻力，属于摩擦型锚杆。2、摩擦端压型锚杆扩大头锚杆的抗拔力由三部份组成：非扩大头部份锚固段锚固体侧壁与土体的摩阻力，扩大头侧壁与土体的摩阻力以及土体对扩大头端部的压力，它属于摩擦端压型锚杆。3、端压型锚杆对于扩大头锚杆,当扩大头直径较大,扩大头长度较小时,扩大头所提供的端压很大,摩阻力所占比例很小,其受力特征属于端压型锚杆。锚杆与桩的一个不同在于，锚杆在锁定前都要经

7、过1.01.1倍设计抗拔力的预张拉，我们在工程实践中发现预张拉能使扩大头的端压不断提高。因此，锚杆经过预张拉尤其反复预张拉后，端压所占比重很高，甚至由摩擦端压型锚杆转化为端压型锚杆。（二）扩大头锚杆的破坏形式：1、杆体破坏：深埋于稳定地层中的扩大头可以提供很大的锚固力，若锚杆杆体设计不当，锚杆杆体将被拉断或破坏；2、扩大头与杆体咬合力破坏：当扩大头直径较大而长度较短，或者扩大头锚固浆体较差时，将发生扩大头与杆体之间的握裹力破坏，杆体将从扩大头中被拔出；3、扩大头端周土体破坏：当锚杆杆体强度和杆体与扩大头之间的握裹力足够大时，将发生扩大头受压端周围土体的破坏。（三）扩大头锚杆的受力破坏机理 以摩

8、擦端压型锚杆为例，考虑正常设计情况下发生扩大头端周土体破坏形式。根据理论研究，工程实测数据分析，并参考有关桩基破坏试验结果，扩大头锚杆的受力破坏过程和作业机理如下图所示： ( A) ( B ) (C) (D) (E ) (F) (G ) 图6：扩大头锚杆的破坏过程A：锚杆拉力较小时，扩大头不受力，锚杆前半段受力。B：锚杆拉力增加，拉力传至扩大头段，扩大头段侧壁与土体产生摩阻力，扩大头端部不受力或受力较小。C：锚杆拉力继续增大，扩大头的侧阻达到极限，扩大头开始产生位移，端部开始受压。D：锚杆拉力继续加大，扩大头端部受压，土体产生局部塑性区。扩大头位移处于弹性阶段。压缩区土体强度由1h, 23k0

9、h,摩尔园控制。E：锚杆拉力继续加大，土体塑性范围扩大并连通，扩大头锚杆结束弹性阶段开始进入塑性阶段。F：锚杆拉力继续加大，扩大头及其承压端形成的约束核（亦可称为压密核，为圆锥体）整体向前发生较大位移，在外围压力作用下，塑性区内土体得到压缩，并进行应力状态的调整和塑性区的调整。当扩大头埋深较大，土体较密实时，随锚杆拉力的增加，土体不断压密，锚杆位移趋于稳定，扩大头实现 “自锁”。塑性区土体对扩大头的抗力随锚杆拉力的增加而增加。在砂土的三轴压缩试验中，当围压较大时，随轴向压力的增加和轴向变形的增大，土体被不断压密，当围压3大于土样初始密度所对应的临界压力Pc时，土体达到全塑状态后将发生剪缩，随着

10、轴向压力的不断增加和轴向变形的增大，土体不断被压密，直至其密度增大到与3相对应的临界密度，这就是扩大头锚杆阶段性自锁的理论根据。G：极限平衡状态：锚杆拉力不断增加，塑性区形状和应力分布状态不断调整，使塑性区内所获得的围压Pc达到与周边土体密实度和埋深相对应的最大值，同时塑性区土体被压密至与这个围压相对应的临界密度，保持体积不变。这时，如果锚杆拉力再进一步增加，塑性区土体将发生剪胀，密度反而降低，扩大头位移发生一个突变，导致锚杆破坏。四、扩大头锚杆的预拉强化特征 某工程抽取一根实际施工的工程锚杆进行了循环加载试验。该锚杆孔口埋深3m，倾角20，锚杆全长18m，自由段8m，锚固段10m，（其中扩大

11、头段长3m），钻孔直径130mm，扩大头直径550mm（根据基坑中心岛同深度同工艺扩大头试验锚杆之开挖实测直径）。锚杆所涉及地层为坡积土。循环加载试验预定最大拉力1000KN,分六级进行，按锚杆基本试验技术标准和要求进行。试验数据见下表，位移拉力曲线见下图：锚杆编号：BC-2-11 施工日期：2005.6.3 试验日期:2005.6.14加荷量(KN)第一循环荷载(KN)0100-300-100油表(Mpa)04.65-14.46-4.65位移(mm)000000101010333第二循环荷载(KN)100300-500-300100油表(Mpa)4.6514.46-24.27-14.464.

12、65位移(mm)333121212222222202020121212第三循环荷载(KN)100300500-700-500300100油表(Mpa)4.6514.4624.27-34.08-24.2714.464.65位移(mm)121212171717262626454545454545404040222222第四循环荷载(KN)100300500700800700500300100油表(Mpa)4.6514.4624.2734.0838.9834.0824.2714.464.65位移(mm)22222228282837373750505.0555555555555525252454545

13、303030第五循环荷载(KN)100300500800900800500300100油表(Mpa)4.6514.4624.2738.9843.8938.9824.2714.464.65位移(mm)303030343434404040606060696969686868656565555555353535第六循环荷载(KN)1003005009001000900500300100油表(Mpa)4.6514.4624.2743.8948.7943.8924.2714.464.65位移(mm)35353540404050505075757590909089898985858570707055555

14、5观测时间(min)555555555 （图7）试验结果表明，扩大头锚杆具有明显的预拉强化特征。1、经过每一级循环预拉之后，锚杆的屈服强度提高，弹性工作拉力提高。在图7中，一个规律是，后一级循环的直线段最大，拉力值等于前一级循环的最大拉力值，即前一级循环把土体压密使其塑性变形消除了。这一特征具有很好的工程实用价值，当需要严格限制位移，我们可以通过多循环的预张拉消除塑性变形，提高锚杆的弹性工作拉力。2、循环预拉力加载可以使锚杆的弹性工作拉力不断提高，还可以使锚杆的设计抗拔力不断提高。本次试验锚杆设计抗拔力450KN，极限抗拔力720KN，实际试验拉力达1000KN时锚杆并没有破坏。如果后续能继续

15、循环向上加载（本次试验中由于钢垫板陷入砼墩无法继续加载），锚杆的弹性工作拉力和抗拔力还会不断提高。其力学机理与上节F图中所述的“自锁”现象吻合。这一规律还有待在今后的破坏试验中做进一步的研究。五、扩大头锚杆抗拔力计算公式1、扩大头锚杆的力学模型上述三种破坏形式中，以下针对的是第三种破坏形式，其力学模型见下图： 图72、锚杆抗拔力T由三部份组成：TT1 + T2 + T3其中 T1扩大头前锚固段侧壁摩阻所提供的抗拔力； T1dldf d锚杆钻孔直径；ld锚固段长度；f钻孔孔壁摩阻力；T2扩大头段侧壁摩阻所提供的抗拔力；T2 = DlDfDD扩大头直径；lD扩大头长度；fD扩大头的侧壁摩阻力，采用

16、高压喷射扩孔对孔壁有明显的加糙作用，可采用fD1.2f ；T3扩大头端部压力所提供的抗拔力； 45 2； 土体的内磨擦角； C土体的内聚力； 约束核锥面上的正应力。值的大小与锚杆的设计工作状态、扩大头所在土层的物理力学指标、扩大头的埋深等因素有关。六、扩大头锚杆的设计要点1、钜联TM扩大头锚杆的特点（1）扩大头直径可达到0.62.0m，所提供的抗拔力大；（2）锚头位移小，特别适合于对位移限制要求高的地方；（3）只要扩大头进入稳定地层一定深度，锚杆总长度可以很短；（4）可靠性高。扩大头锚杆属于承压性锚杆，加之高压喷射对孔壁有明显的“加糙”作用，其可靠性比普通锚杆高。工程实践证明了这一点。2、钜联

17、TM扩大头锚杆的适用对象（1）深基坑支护,特别适合于A.深度大，土质条件差的基坑，当采用锚拉排桩或锚拉地下连续墙时，可以用一排扩大头锚索替代23排普通锚杆，经济效益显著，并且桩顶位移小；B.基坑临近有建筑物，对变形要求高，可以采用扩大头锚杆限制位移。根据工程实例对比，比普通锚杆减小基坑位移50以上。（2）土质边坡支护，可在锚杆类支护结构中以扩大头锚杆替代普通锚杆，可以节省工程造价，提高安全可靠度。在滑坡治理中或者其它“大桩大锚”的边坡支护结构中，经济效益优势显著。（3）抗浮锚杆：不仅能节省锚杆工程量，经济效益显著，而且更重要的是钜联TM扩大头锚杆位移小的特点特别适合于地下室的抗浮要求。地下室抗

18、浮要求一般采用非预应力钢筋锚杆，而普通锚杆只有通过施加预应力才能减小位移；扩大头锚杆则可以通过采用弹性状态设计达到减小位移的目的。3、钜联TM扩大头锚杆的结构设计要点（1）确定锚杆的设计抗拔力根据结构功能设计要求，确定单根锚杆的设计抗拔力。当结构功能设计要求或者技术经济分析要求单根锚杆的设计抗拔力很大时，比如大于1000KN时，则应根据地层土质条件和扩大头埋置深度进行分析，原则上应进行现场基本试验后确定。我们目前还没有掌握各种土层中扩大头锚杆所能达到的最大抗拔力数值，但在稍密以上的中粗砂层和坡残积土层中，钜联TM扩大头锚杆的设计抗拔力是很大的，采用超过1000KN以上的设计抗拔力是可行的。（2

19、）选择锚杆的工作状态扩大头锚杆不施加预应力也能很好的限制位移。这时需要按照弹性工作阶段来设计锚杆的抗拔力。根据有关类比分析，其位移可以控制在510mm之内。在实际工程中有些时候需要限制位移但却不能采用预应力锚杆。如地下室的抗浮锚杆以及容易发生预应力损失的情况等，扩大头锚杆特别适合于这些情况。当采用预应力锚杆时，则应选择塑性破坏阶段的抗拔力，以取得最高性价比。由于抗拔力的大小除扩大头本身的几何尺寸以外，还与扩大头埋深和土体的密实状态有关，因此，有条件时应进行现场原位基本试验。（3）扩大头直径与长度扩大头直径取决于土质、设备能力和拟采用的工法三个因素。一般可采用0.62.0m。扩大头的最小长度由锚

20、杆杆体与扩大头之间的握裹力确定。增加扩大头长度能显著提高弹性状态下的抗拔力水平。（4）扩大头的埋深扩大头的最小纵向埋深应不小于712D（D为扩大头直径）。采用弹性状态设计的扩大头埋深可取较小值。如果纵向埋深过小，实现扩大头自锁所需要的塑性区土体的二次压密将不充分，抗拔力将受影响。扩大头到软弱土层也应有一个纵向最小埋深，否则也会影响到抗拔力。4、钜联TM扩大头锚杆的工法设计根据结构设计所需要的扩大头直径以及土层情况、设备能力等资料，可按下表初步选择工法。施工时，可以根据现场情况适当调查。 钜联TM扩大头锚杆工法设计参考值扩大头 工法直径(m)土性Bcg/AcgBwcg/AwcgBwwcg/Aww

21、cgBwwcs/Awwcs粘性土0.40.80.61.20.81.40.81.4砂性土0.60.81.01.61.22.01.22.0砾砂0.40.60.81.01.01.21.01.2七、参考文献（1）卢肇钧、吴肖铭、刘国楠。锚定式支护工程实践中几个问题探讨。广东省基坑研讨会，1994年7月。（2）孙家乐、黄玉田等。深基坑锚护体系动态设计与信息施工技术。基坑开挖中的岩土工程问题学术讨论会论文集，1992年。（3）深圳市勘察测绘院等。深圳地区建筑深基坑支护技术规范。深圳市标准，1996年。（4）冶金部建筑研究总院。土层锚杆设计与施工规范。中国工程建设标准化协会，1990年。（5）中国建筑科学研

22、究院。建筑基坑支护技术规程。北京：中国建筑工业出版社，1999年。（6）李瑞华、谭辉。扩大头土层锚杆在深基坑支护中的应用，西部探矿工程，1997年3月。（7）曾庆义、李爱国。高吨位土层锚杆扩大头技术的工程应用。岩土工程界，第七卷第八期。八、钜联TM扩大头锚杆工艺试验及开挖照片深圳某工程扩大头锚杆开挖情况（地层：残积土；钻孔直径：130mm；扩大头实测直径550mm）扩大头锚杆起吊过程扩大头锚杆基本试验现场九、工程实例 （一）金色都汇基坑支护工程 1、工程概况冠懋金色都汇大厦属一级建筑，位于深圳市火车站东向的春风路北侧，东靠向西路，西与宝丰大厦为邻，总占地面积7137.9m2，地下三层，总建筑面

23、积七万多平方米。地下室开挖深度11.5m，建筑高度96.95m。结构体系为框架剪力墙结构，采用桩基础。2、地质条件本场地经勘察揭示，自上而下分为：杂填土：灰黑色夹杂色，松散，饱和，含砖石碎块和生活废料，有腐臭味。该层层厚0.32.2m，在场地西区有缺失现象。粘土：砖红夹灰白色，硬塑，局部呈可塑状，饱和，以粘粒为主，含灰白色高岭土团块，底部含少量粉粒，属中压缩性土，该层全场分布，层厚2.86.0m，层顶标高在3.96.0m。中粗砂：灰黄色，松散稍密，饱和，以中砂和粗砂为主，含少量石英质砾石，砾径一般在25mm之间，磨园度较好。该层全场分布，层厚0.96.8m，层顶标高2.8负0.2m。砂质粘性土

24、：灰白浅灰色，可塑，饱和，成分以粘粒为主，约含20%的细砂。该层为夹层，呈透镜体分布。层厚一般0.22.6m，层顶标高负3.2负4.09m。砾砂：中密，饱和，由砾砂组成，砾径一般34mm，底部含较多卵石，呈亚园状，直径最大达80mm。该层全场连续分布，层厚变化较大，在1.88.2m之间，层顶标高0.03负6.0m。砂质粘性土：黄褐灰褐色，硬塑，饱和，粘粒为主，含较多细砂。该层全场分布，层厚在2.112.5m之间，层顶标高负5.4负9.7m。燕山期浸入粗粒花岗岩，根据风化程度，可划分为强风化岩、中风化层、微风化层。地下水主要在于中粗砂和砾砂中，属于承压孔隙水，稳定水位埋深一般在1.74.5m之间

25、，水位变化主要受大气降水影响。3、扩大头锚杆的设计参数及设计图对本基坑垂直开挖深度大，周边市政管线繁杂、与周边建筑物及距离近的特点，局部采用扩大头预应力锚索的方案成功的保证了基坑变形和周围建筑物位移在允许范围内。在基坑的西北侧，及基坑BC、CD段（与周边房屋距离最近点）设置扩大头预应力锚索，锚索设置在第二排和第四排位置。预应力锚索长18米，自由段6米，锚固段12米（其中扩大头段长度为3米），扩大头直径为1200，锚杆设计抗拔力为350KN。扩大头预应力锚杆技术采用高压喷射扩孔法，它是钻孔至设计深度后，采用25Mpa的高压水或高压浆进行喷射扩孔，扩孔至设计直径后下锚杆，再注浆形成。本工程扩大头预

26、应力锚杆采用专用锚杆钻机，锚孔定位后钻进。为使设计孔径满足要求，钻进采用127钻头，钻孔至设计深度后，采用25Mpa高压水经高压泵送至锚杆钻机，从钻杆根部钻头喷嘴喷出，高压水在锚杆底部切割孔内土层，将孔内土变成泥浆置换出来，形成外细内粗的扩大头结构。扩大头直径为1200，扩大头长度为3米，扩孔时钻机的提升速度控制在1520cm/min，采用两次清水扩孔， 一次0.40.6纯水泥浆扩孔，这样既保证了扩大头的直径要求又能保证后续注浆的效果。在注浆体和锚座强度到达设计强度后，对普通预应力锚索和扩大头预应力锚索作了专门的抗拔力试验，试验结果表明，扩大头预应力锚杆的抗拔力和锚头位移量均优于普通的预应力锚

27、杆。（二）福民佳园基坑支护工程1、工程概况福民佳园位于深圳市福田区金田路与福民路交叉处，场地四周紧邻市政道路和多层高层建筑物，其中西侧为金田路，该侧正在修建地铁福民车站。场地原始地貌属海积平原，后经人工平整而成。该工程地面以上30层，建筑总高度99m，地下3层，基坑设计开挖深度为13.1m。基坑四周紧邻市政道路及各种地下管线。2、地质条件场地主要地层自上而下依次为：1、人工填土：褐红、淡黄色，主要由粘性土组成，结构松散，含水泥块、砖块、碎石等建筑垃圾，层厚3.205.50m；2、淤泥：灰、灰黑色，饱和，软塑，局部相变为淤泥质粉质粘土和淤泥质中砂，松散状态，层厚1.604.50m；3、粘土：褐红

28、、灰绿色，湿，可塑，含510的中粗砂，局部相变为含砂粘土，层厚1.305.60m；4、中粗砂：灰白、黄色，饱和，稍密中密，含520的粘性土，层厚1.909.00m；5、砂质粉土：褐红、灰白、黄色，可塑硬塑状态，含2045石英砂，层厚0.905.90m；6、以下为燕山期中粗粒花岗岩，分为全风化、强风化、中风化、微风化四带。各土层有关力学参数见表1。表1 土层力学参数表土层名称天然重度（KN/m3）内摩擦角（）粘聚力(KPa)淤 泥17.8614粘 土19.21016中粗砂35砂质粉土19.322253、扩大头锚杆的设计参数及设计图在锁口梁高程处设置预应力锚杆，锚杆采用5j15钢铰线制作，锚杆长度28m，间距2.0m，设计抗拔力850KN，锁定拉力680KN。另在基坑北侧BC段共设二排预应力锚杆，高程分别为-2.5m和-9.0m，长度依次为28m、22m，间距均为2.0m，设计抗拔力依次为850KN和600KN。 4、锚杆抗拔力检测与基坑位移观测1）锚杆抗拔力检测锚杆和支护桩及圈梁施工完毕后，由业主和监理单位随机取样5根进行锚杆抗拔力